钻瓜田科技成果推荐第13期:高浓度难降解有机废水处理/锂离子电池回收及修复前沿科技

2023-07-31 13:33:33 科技成果推荐 有机废水处理 锂离子电池回收 阅读(41483)
该技术成果在农林废弃物处理和可再生动力燃料需求方面具有广泛的应用和产业化潜力。生物航油制备技术也可作为应对能源枯竭和国际航空碳税等社会环境因素的重要保障途径。另外,进一步通过对高附加值副产品加以利用,如制备生物质基石墨烯、精细化学品如琥珀酸等提高系统的整体收益和降低生产风险。

1、木质纤维素生物质水相催化制备航油联产化学品

农林废弃物原料中的纤维素、半纤维素通过汽提-水解技术直接定向转化为乙酰丙酸、糠醛等平台化合物。乙酰丙酸与糠醛经羟醛缩合,得到骨架碳原子数在C9-C17之间的固态中间体,再经加氢脱氧工艺处理即得到以支链烷烃、环烷烃以及少量直连烷烃为主要成分的生物航油产品。利用功能嫁接型碳基材料和絮凝沉淀-高容量滤吸材料分离技术,实现乙酰丙酸高选择性分离和制备。已建成了国际首个秸秆等生物质水相催化合成生物汽油、航油百吨级中试装置,油品品质达到国际 ASTM7566 标准。项目共获得专利 13 项,其中授权国际发明专利 2 项。与其它生物燃油生产方式比较,本项目成本仅有目前流行的油脂生物燃油的 40%,具有完全自主知识产权。其生物航油产品具有与石化航油近乎相同的理化性质,且碳减排效果更好,是理想的航油替代品。生物乙酰丙酸可作为优良车用油品添加剂及可生物降解精细化学品和可生物降解的高分子材料等。

该技术成果在农林废弃物处理和可再生动力燃料需求方面具有广泛的应用和产业化潜力。生物航油制备技术也可作为应对能源枯竭和国际航空碳税等社会环境因素的重要保障途径。另外,进一步通过对高附加值副产品加以利用,如制备生物质基石墨烯、精细化学品如琥珀酸等提高系统的整体收益和降低生产风险。木质纤维素制备生物航油联产化学品技术的应用推广主要有两个方面:

1)用于新建木质纤维素生物航油项目或与现有的糠醛厂汽提装置联合,对汽提装置进行改造或技术升级换代,用于产品结构优化和降低能耗,实现木质纤维素分级提取转化和全组分利用。木质纤维素原料来源广泛、且就地焚烧是大气污染源,产品生物航油,副产品糠醛和乙酰丙酸都是附加值高、用途广泛的能源化学品,前景广阔,随着对航空碳税政策的实施和国家碳交易体系完善,生物航空燃油经济效益会更加显著。 

2)通过工业示范、奠定产业化基础,逐步建成千吨级工业示范基地和3万吨级产业化规模,形成木质纤维素生物航油生产为主体,乙酰丙酸为副产品的生态产业体系

2、秸秆制备生物基多元醇及聚氨酯材料技术

聚氨酯是得到广泛应用的合成高分子材料,它既可以作为弹性体使用,也可以制成软质或硬质泡沫来使用,在建筑领域、隔音、隔热和包装等领域,具有广泛的用途。目前,聚氨酯的原料都是通过来自石化资源获得的多元醇和多异氰酸酯合成得到,随着石油资源的紧缺,其材料价格也在快速上涨,急需新的替代合成原材料。如何寻找来源广泛、价格低廉、可再生的原料来替代石油等矿物资源来合成新型高分子材料,从而降低生产成本是发展聚氨酯产业亟待解决的重要问题之一。

秸秆等木质纤维素是地球上储量最大的可循环再生的有机资源,地球上每年通过光合作用产生的生物质总量约1400~1800 亿吨(干重),相当于目前世界总能耗的10倍。木质纤维素主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成。由于纤维素的结晶结构,以及半纤维素和木质素构成的三维网状结构,导致这类高分子不能像塑料等高分子可熔融加工,限制了其作为材料的直接利用。由于这两个因素,植物纤维中的羟基大多是包藏在纤维分子的内部而无法参与反应,整个纤维成为一个化学惰性体系。要解决这个问题就必须破坏植物纤维的三维网状结构,使羟基释放出来成为活性基团。而要达到这一目的,目前人们最常用的办法是将植物纤维进行热化学液化,将固态植物纤维大分子降解成具有反应活性的液态小分子,转化合成新的高分子材料。 

主要技术性能与指标

1、木质纤维素热化学液化后,液化残渣率小于 10%,生物基多元醇的羟值范围控制在 200∽500 mg KOH/g; 

2、生物基聚氨酯泡沫保温材料的性能达到:泡沫密度>30 kg/m3,泡沫压缩强度≥0.18 kPa,泡沫导热系数≤0.042 W(m.K)。

3、中低温余热回收的化学热泵技术

化学热泵是利用化学反应过程吸放热量的装置,这种基于化学吸附剂的蓄热-放热方式不仅仅实现热能品质无损耗储存的功能,还可方便的通过简单控制反应条件实现热能释放温度控制,不仅可以放出低温热能还可以释放出温度高于蓄热温度的热能。因此,这种热泵技术通过将余热以化学能的形式储存起来,涵盖了储热与热泵的功能,解决了中低温余热回收利用在时间、空间以及强度不匹配等问题。与传热压缩式热泵、吸收式热泵相比,化学热泵可回收的余热温度范围可以从低温60℃覆盖到500℃。因此,化学热泵在工业中低品位余热回收利用具有明显优势:具有储热及热泵功能,应用范围广,适用性强。目前该项目已完成 10kW化学热泵样机研制,并正在进行100kW以及600kW级化学热泵研制工作。

该技术具有热化学反应原理简单、安全、环保、可控温制热或制冷以及核心材料可收回利用等特点。所研发的材料蓄热密度达 1000kJ/kg 以上,反应芯功率250kW/m3 以上,达到国内领先水平。该技术适用于各类型工业中低温余热的回收与利用,包括不稳定排放的工业

余热,温度范围包括60-300℃。该项目研制的化学热泵已完成1000次以上的蓄放热实验,反应率保持在0.7以上,具有良好的性能稳定性,技术就绪度达到TRL8。该技术有望在煤化工行业推广应用。

4、高浓度难降解有机废水处理技术

造纸、化工、纺织、钢铁合计排放占比约为48%,成为工业废水最主要的排放来源。化工废水浓度高、成分复杂,含有许多难降解有机物,可生化性低,这些对人类的生存环境和身体健康有很大危害。 

微电解法又称内电解技术,具有适用范围广、处理效果好、成本低廉、占地面积小、材料简便易得、装置易于定型化和工业化等优点,故被广泛应用到废水处理系统中。兼且能耗低,利用废铁屑、炭等为原料,具有以废治废的意义。近年来,该技术已被越来越多地应用到印染、电镀、石油化工、制药等高毒性、高COD、高色度的废水处理中。传统的微电解技术在应用过程中,填料易板结,影响处理效果,反应器要频繁反冲洗,填料需常更换,且填料制备条件苛刻,活性低、寿命短,在不同的废水体系中通用性差。铁碳填料主要由铁和碳构成,当填料浸没在具有传导性废水中时,铁为阳极,碳为阴极,形成无数个微原电池,体 

系中加了活性炭,可组成宏观腐蚀电池。开发了新型凹凸棒石基铁碳填料,完成了制备工艺的研究及工业应用试验,该产品电解效果好,制备工艺简单易操作,具有工业化可行性。

5、园林绿化垃圾高温好氧堆肥系统

随着城镇化的发展,园林绿化面积不断地增加,城市绿化覆盖率已达39%左右,随之而来的是园林垃圾也越来越多。目前,园林垃圾主要是混入市政生活垃圾,一同进入垃圾焚烧厂或填埋场,给市政清运和处理终端造成了较大的压力,造成了资源的浪费和二次污染问题。园林垃圾具有养分含量高,有害成分低的特点,是“城乡矿山”中优质的有机营养元素,通过高温好氧堆肥系统制取生物有机肥,取得了良好的资源化利用效果,尤其是就地资源化利用模式,具有更高的综合效益。 

园林垃圾简单分类后,较大的枝块作为生物质燃料原料,小枝条与叶片类经过粉碎、调节 C/N、水分含量等前处理之后,通过高温好氧堆肥系统采用舱体式工艺或槽体式工艺,必要时通过太阳能等节能手段辅助加热,在控制温度、氧气、水分等条件下,利用好氧微生物的代谢活动,产生高温并快速降解有机质、纤维素和木质素等,降解成生物有机肥。该技术成熟,具有相关专利;系统集成度与自动化程度高,占地小;系统建设造价与运行成本较低;堆肥产品有巨大的市场需求;500 吨/年项目已在佛山投产,效果良好。

6、储能式地热供暖技术

近年来,我国北方地区以燃煤为主的能源结构以及产业转移带来的环境污染,使本区雾霾现象频发,引发了全社会的强烈关注。地热能的规模化开发利用已经在北方地区冬季清洁供暖以及缓解雾霾天气发挥了重要作用,地热供暖技术已趋于成熟,比如在河北雄县,由于采用了先进的地热储技术,地热供暖面积达450万平米,基本解决了当地居民的冬季供暖需求,使得整个县城变成“无烟城”。 

地热储是巨大的天然能源储库,最适宜在多能互补供暖系统中承担蓄能和实现热能稳定输出的功能,充分发挥这个功能,可以更好利用间歇性太阳能跨季节储蓄起来,实现浅、中深层地热+多能耦合联用的新局面,形成储能式地热清洁供暖技术模式,填补国内技术空白。 

储能式地热供暖技术特点:就地消纳间歇性可再生能源,通过高效储热和原有地热资源高效融合,提高非稳定可再生能源的利用效率,补充并增强原有地热资源;系统在热负荷特性与可再生资源特性相关性基础上结合热网调峰特点,研究高效电蓄热装置的全年启停和调峰控制策略,构建储能式地热多能融合高效利用技术的电热耦合系统优化调度方案;同时依据在现有地质条件和地热资源的基础上,通过联合水力压裂和酸化压裂的方法进行储层改造,对热储层的储热能力进一步增强,提升储热效率;建立就地消纳可再生能源和利用地热进行联合供暖的机制;最终实现基于100%可再生能源的储/供能“地热+”多能融合供暖高效利用系统。 

我国局部地区可再生资源丰富,但由于可再生能源具有间歇性和与需求侧负荷不匹配等问题,造成了大量的可再生能源过剩,而可再生能源的就地消纳问题已成为国家能源规划的重点;同时北方地区的清洁供暖已成为国家重大战略,而地热能的规模化开发利用为在北方地区冬季清洁供暖以及缓解雾霾天气提供了新的解决思路。本技术试图尝试一种新的储能方式,利用中深层地热储能与消纳多类型间歇性可再生能源结合,不稳定的可再生能源与稳定的地热供暖系统有效结合,把不稳定的可再生资源转变为稳定的能量输出以实现供暖。

实现建筑供暖可再生能源利用率达100%;通过中深层单井自然对流全井段换热增效强化改造技术,实现储能系统的储热效率不低于80%,单井供热能力提升30%;热泵设备制热性能系数不低于4.0,系统制热能效比不低于3.5;储热设备电热转换效率不低于95%。 

7、质子交换膜水电解制氢(PTH)储能关键技术

随着可再生能源发电的快速发展,弃电量将持续大幅增长,为了减少可再生能源发电系统随机性、间歇性、波动性等非稳定性特点对电网的冲击,可再生能电力电解水制氢(PTH)及其绿色转换利用为可再生能源电力储能提供了前景广阔的解决途径,氢气可经燃料电池发电回馈电网,或绿色转换为合成燃料和化学品。开发新型催化剂和质子交换膜等材料,降低贵金属消耗量及其成本是可再生能源电解制氢技术的工程化、商业化的关键。 

针对水电解器的关键核心部件催化剂与膜电极的效率、成本和批量制备技术进行了攻关。(1)阳极催化剂以掺杂型过渡金属氧化物为载体,负载混合价态的铱钌金属及氧化物 

(IrOx(OH)y)构建复合催化剂,获得高活性、高稳定性的析氧催化剂并降低了贵金属用量及其成本。在合成过程中采用湿化学法及热处理工艺,因此具备批量生产的优势。

2)针对聚合物膜的化学稳定性这一严重制约水电解器的耐久性的难题,采用新型的非碳析氢催化电极取代原有的碳载铂阴极,大幅降低膜的化学降解速率;采用膜内氢氧复合技术减少膜内气体互窜,降低电极中羟基自由基生成量,协同提升膜的化学稳定性。同时质子交换膜改性工艺针对成品膜材料通过浸渍还原路线进行合成,操作温度低于膜的玻璃态转变温度,其基本物理性质得以保留。 

3)膜电极的溶胀喷涂制备技术工艺优化了传统喷涂法。利用该技术为可再生能源电力提供了高效、稳定的多元化转换与利用途径,具有可观的经济和社会效益。 

主要技术性能与指标:

1)掺杂型过渡金属氧化物负载铱氧化物。已将铱的质量比活性提高至1200-1500A/g@η=0.37V。 

2)有序铱氧化物催化剂。制备的中空氧化铱纳米棒阵列,实现阵列长度(0.4-2微米)与管径(30-200 纳米)可调,质量比活性为传统 CCM 电极的20倍。 

3)聚合物膜化学降解研究。开发的非碳析氢电极活性与碳载铂电极相当,但膜降解速率降至1/18。 

4)膜电极制备及电堆。开发的溶胀喷涂技术反应界面增大10%以上,在80℃时,1A/cm2 下连续运行 2500 小时,电解单槽衰减率低于30μV/h,氢气、氧气纯度均可达到99.99%以上。 

5)太阳能光伏直接耦合水电解器制氢系统。从实际太阳光到氢气的系统实验效率已达9%,近期可望达到15。 

技术特点:

1)高效率、成本下降。该项目开发的催化剂大大降低了贵金属用量,在保持高活性的同时降低了成本; 

2)长寿命与高稳定性。新型的非碳析氢催化电极取代原有的碳载铂阴极以及膜内氢氧复合技术协同提升聚合物膜的化学稳定性; 

3)氢气、氧气纯度高。氢气、氧气纯度均可达到 99.99%以上; 

4)所开发的催化剂、膜电极生产技术适合批量生产。在实验室研究和制备基础上,可轻松实现工艺的放大和批量制备,满足工业化生产的需要。 

8、废旧锂离子电池回收及修复/再生技术

随着近年来电动汽车及电池储能的发展,我国即将进入电池淘汰/报废的第一个高峰期。对电池进行回收及循环应用不仅能满足政策的强制性要求,同时将产生经济效益。该项目分别开发了锂离子电池材料高温固相直接修复及高温固相再生技术,从电池制造、消费、回收整个流通环节产生的边角料、报废不合格品以及废旧电池进行回收、材料修复及再生,关键    技术包括:(1)回收过程无害化处理技术;(2)修复过程杂质的控制;(3)再生前驱体及再生过程调控。 

主要技术性能与指标:

修复及再生材料基本达到商业化电池材料的电化学性能。

技术特点:

该技术具有工艺流程短、不产生废酸废碱、回收成本低等特点。

经济效益:

材料有价金属回收率达到95%以上。 

9、环保型量子点发光材料

量子点(QD)是颗粒尺寸小于其玻尔半径(约10nm)的半导体纳米晶。量子点具有量子尺寸效应,其光学与电学特性可通过粒径组分的调节进行灵活地剪裁;可采用溶液法制备,采用印刷或辊涂等廉价的技术手段制备量子点薄膜,可实现半导体器件尤其是基于塑料衬底的柔性器件的低成本制备;这些特点使量子点在新型发光二极管(LED)、高效低成本叠层太阳电、红外光探测、半导体激光、生物荧光成像等技术领域显示出诱人而广阔的应用前景。 

主要技术性能与指标

该成果在量子点材料的化学合成、光谱表征及其光电应用等方面形成鲜明的特色。近年来,已成功合成红、绿、蓝环保型量子点:(a)CuInSe2/ZnSe 红光量子点,获得了发光峰波长在670nm且荧光量子产率为65%的深红光 ZnCuInSe2/ZnSe 量子点,此量子产率为目前国际上报道的最高水平;(b)CuInS2/ZnS 绿光量子点,发射波长530nm,荧光量子产率达到 85%;AgInS2/ZnS绿光量子点,量子点荧光量子产率达到81.1%,发光峰波长为512nm。(c)蓝光 ZnSe/ZnS量子点,荧光量子产率约为60%。

10、热管式真空集热器

热管式真空集热管太阳能热水器主要由热管、吸热板、玻璃管、金属端盖和消气剂等部件组成,使用不受安装条件的限制,无论是在对于平房用户还是高层楼房用户,均可安装使用。采用玻璃与金属熔封技术,使管内不走水,并处于完全真空状态,依靠管内的铜铝复合条带与热水器的水箱相连接,从而达到热能传导的目的。

热管式真空管综合应用了真空技术、热管技术、玻璃-金属熔封技术和磁控溅射涂层技术,不仅使太阳能集热器能够全年运行,而且提高了工作温度、承压能力和系统可靠性,使太阳能热利用进入中高温领域。 

主要技术性能及指标:

1)热管式真空集热管尺寸:总长度1885mm,玻璃管直径70mm,热管冷凝段直径14 mm; 

2)吸热翅片:吸收率大于0.93,发射率小于0.08; 

3)1000 w/m2光照强度下空晒最高温度:260℃。 

适用范围及应用条件:

热管式真空集热管太阳能热水器的使用广泛,不受安装条件的限制,无论是在对于平房用户还是高层楼房用户,均可安装使用。逐步成为太阳能行业的主打品牌。

钻瓜科技成果推荐:不定期推荐有一定应用前景的成果或技术,仅供大家参考。

联系人:赵晖(18622028255,微信号zhao07180608):zhao07180608

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